超高密度高温钻井液体系与流变性调控机理研究

超高密度高温钻井液体系与流变性调控机理研究

于金文孔祥金

于金文孔祥金大庆油田钻探工程公司钻井一公司163000

摘要本文对超高密度高温钻井液体系与流变性调控机理研究。

关键词高温钻井液体流变性调控机研究

1.超高密度高温钻井液的发展

1.1超高密度高温钻井液重要性

深井、超深井的钻探必将成为我国乃至全世界石油工业的一个重要方面。因为随着世界能源需求的不断增加，向地层深部寻找油气已成必然。我国西部作为石油与天然气产量主力接替区的西部，其石油资源量的73％、天然气资源量的52％都埋藏在深地层，此外海上深层油气也是不容忽视的战略资源。众所周知，在钻井过程中，由于地温梯度和地层压力梯度的存在，井眼越深，井筒内的温度和压力就会变得越高，而钻井液在高温下很容易失去其原有的性能。同时，高压又易使井壁不稳定和诱发卡钻等井下复杂事故。因此，如何对付高温高压，是深井和超深井钻进过程中面临的首要问题。在深井、超深井的钻探中，钻井液技术更是工程成败、钻速快慢和成本高低的关键。深井工程中高温和高压问题的解决依赖于钻井液性能的改善，抗高温钻井液能在高温高压环境中保持其性能，高密度的钻井液在高压环境中能保持井筒的压力平衡。

1.2影响超高密度高温钻井液的因素

能否在高温、高压、高密度条件下保持或基本保持其原有的性能是深井、超深井钻井液质量的关键。在深井超深井钻井中，钻井液通常会遭受高温的考验。在长时间的高温作用下钻井液流变性能很容易发生恶化。随着温度的增加，钻井液的各种性能都会随之而发生改变。一般而言，升温使钻井液的造壁性能变坏，即泥饼变厚、渗透性变大、滤失量增高。高温对钻井液流变性的影响比较复杂，其影响情况可根据粘度与温度的关系分为三种形式。第一种，粘度随着温度的升高而降低；第二种，粘度随着温度升高而增大；第三种，各类水基钻井液在较宽的温度范围内(常温一高温)普遍表现为随温度的升高粘度先降低再增大。高温使钻井液中各组分本身及各组分之间在低温下本来不易发生的变化、不剧烈的反应、不显著的影响都变得激化了。这些作用的结果必然改变、损害以至完全破坏钻井液的性能，而这种影响是不可逆的。它反映了钻井液体系受高温作用后的稳定能力的变化，实际反映钻井液在使用过程中井口处进出口性能的变化。在深井超深井钻井中，井底压力往往很高，为了平衡压力，必然使用加重钻井液。特别是在钻遇异常高压地层时，必须使用超高密度钻井液。高密度水基钻井液流变性的稳定性一直是钻井液技术中重点攻关的难题之一。它包含了两层意思：一是难以优化配制成具有良好流变性的高密度钻井液体系；二是难以维持钻进过程中高密度水基钻井液流变性能的稳定。

2.超高密度高温钻井液的认识

深井超深井钻井主要难点

深井超深井钻井主要难点主要为地质条件复杂、井底高温、地层高压等方面。

我国陆上深井超深井主要分布于西部地区，这些地区地质条件均很复杂，深井超深井钻井存在地层压力系统多、裸眼段长、井壁稳定性条件复杂、高温(240℃)、高压(压力系数2．3)，深部地层岩石可钻性差等难点，同时还要解决山前构造、高陡构造、复杂难钻地层、地应力集中、地层压力异常、地层破碎、地层塑性流变、高矿化度(高密度)、高硫化氢质量浓度等复杂地质条件带来的一系列钻井技术难题。

随着井深的增加，各种可以预料到的或无法预料的问题会接踵而至。在客观上，由于地层的不可视性，人对所遇到的现象只能采用间接方式如通过各种数据的分析、各种信息的处理得出结论。在许多情况下得到的结论可能无法较好地反映真实情况，或者结论完全是错误的，特别对于地下数千米或数十千米处的岩石更是如此。然而国内外专家没有分歧的一点就是井底高温是限制钻探深度的决定性因素之一，世界各地几乎都存在深度为几百或几千米时地温高达几百摄氏度的高温地带，例如中国著名的羊八井、日本的葛根田地热区、美国在Cinitadons地区所钻的深度小于4000m的地热井，井下温度均超过了350。C。大多数专家认为在温度低于250℃的情况下，现有的少数抗高温处理剂可以直接用于水基钻井液中。地层高压综合分析国内外深井钻井资料，除温度问题外，还有一些问题在某种意义上带有共性。随着深度的增加，地层压力明显增大，施工时必须使用较高密度的钻井液，这种情况不仅严重影响机械钻速，而且更困难的是高密度体系的维护。例如中国新疆油田于准噶尔盆地腹部地区和南缘山前构造带上钻至井深5000m时钻井液密度高达2．10g]c13a3，南缘山前构造安集海组最高钻井液密度用到2．50g]crll3左右，如安4井钻井液密度曾用到2．53g／era3，独深1井曾用到2．48g／cm3。

3.钻井液用加重剂研究进展

从钻井液处理剂的发展进程来看，70年代以来，水解聚丙烯腈盐、聚丙烯酰胺和水解聚丙烯酰胺在钻井液一至得到广泛应用，并形成了低固相不分散钻井液体系，从而促进了钻井液技术水平的提高，解决了一系列的复杂问题；磺化酚醛树脂的成功应用，使抗高温的深井钻井液体系得以出现，从而拉开了研制新型钻井液处理剂及钻井液体系的序幕。进入80年代后，中国钻井液处理剂有了大的发展，可以说这一时期是钻井液处理剂和钻井液大发展时期。形成了以PAC．141为代表的丙烯酸多元共聚物处理剂及其钻井液体系，以SK为主的SK钻井液体系，80A5．1增粘剂和水解聚丙烯酰胺钾盐井壁稳定剂等，使聚合物钻井液工艺技术有了大的发展。在80年代实践经验的基础上，90年代的以FA367为代表的两性离子型聚合物，使聚合物钻井液工艺技术又有了新的发展。而阳离子处理剂的研究也逐步受到重视，但并没有形成阳离子处理剂系列及钻井液体系，由于缺乏更多的配套也限制了该体系的发展。90年代初期至中期，“正电胶”钻井液称为钻并液界的研究热点，但也没有形成真正配套的钻井液处理剂和钻井液体系，“正电胶”仅仅是一种处理剂而已。由以上情况可知，聚合物类处理剂品种最多，但主要是以丙烯酸和丙烯酰胺为主的多元共聚物，后来尽管科研工作者试图通过引入部分阳离子基团来提高产品的综合性能，但由于所用阳离子单体的聚合活性的限制，阳离子单体的引入量有限，在改善聚合物的综合性能方面并无长足进步。国内外目前常用的深井水基钻井液一般是磺化钻井液和聚—磺钻井液，但抗温能力不强，通常不超过180”C，在加入其它多种处理剂后，抗温能力会有所提高。但是，一旦环境中含有盐、钙等或者钻井液密度较高，其抗温能力又将急剧下降。

许多种物质可用作钻井和完井液的加重剂例如：水溶性盐NaCI、KCI、CaCh、CaBr2、酸溶的碳酸钙、不溶的硫酸钡、氧化铁和硫化铅(方铅矿)。配制钻井液时选择那种或哪几种的组合通常看所需的流体密度、流体的客观状况和经济性等。

氧化铁首次用作钻井液的加重材料是在二十世纪二十年代美国北路易斯安那州一南阿堪萨斯州，那时用来控制高压气井。氧化铁有几种缺点，它颜色呈暗红色，玷污能力强，所以钻井队不喜欢用它。与重晶石相比，赤铁矿更硬，研磨性更强，它不是化学介入，与胶体如粘土兼容性差。赤铁矿研磨处理备钻井液用的成本比重晶石高。重晶石(密度4．2～4．3g／era3)加重实际能达到的密度最高为水基2．5g／era3、油基2．36g／em3。赤铁矿密度更高(5．05∥cm3)，可以加重至3．12g／em3。赤铁矿也可用作硫化氢气体的监测器和警报器。硫化氢在井底与赤铁矿反应生成硫化铁，钻井液将变黑，颜色的变化可以预报硫化氢的存在和溢出。